光强不均匀情况下曲率波前传感器的信号分析

曲率波前传感器广泛应用于天文自适应光学、光学度量等领域。在这些领域使用时都假设入射波前光强均匀，但这种假设与曲率传感技术的基本原理不一致。定性分析了曲率波前传感技术理论的不自洽，利用衍射理论和几何光学近似的方法，推导了光强不均匀情况下曲率渡前传感器信号的解析式，分析了信号误差。结果表明，光强不均匀情况下曲率波前传感器的信号引入了光强对数的梯度和波前梯度的点乘项。在大多数应用中，点乘项可以忽略，因此，光强均匀的假设是合理的。但应用于光强量级发生变化的激光高斯光束时，会有一定的误差。     

光强非均匀分布对波前曲率传感器的影响

为了将波前曲率传感器用于涉及激光波前的领域,理论分析了非均匀光强入射条件下的曲率传感器测量信号。用菲涅耳衍射公式,数值计算了相位分布为前10阶泽尼克多项式,光强为高斯分布和正态随机分布闪烁的曲率传感器信号,并和相同相位分布,光强均匀情况下的传感器信号比较。分析表明光强非均匀分布给波前曲率传感器测量信号带来了一定的误差。光强高斯分布对散焦相差的曲率信号影响较大,信号百分比误差达到25%,对其他相差的曲率信号影响很小;对于有正态随机分布闪烁的光强分布,信号百分比误差与正态随机分布的均方差成线性关系。在一定条件下,波前曲率传感器也能够用于光强非均匀分布的领域。     

基于衍射光栅曲率波前传感器的实时波前重构研究

自适应光学系统要求波前传感器能实现动态实时测量,曲率波前传感技术符合这一发展要求。一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器在探测装置的实现方法方面具有较大优势,其波前重构已应用于光学度量。根据衍射光学理论,对其探测信号进行数值模拟,并利用Neumann边界条件的Green函数法对其波前重构进行数值模拟。结果表明：Green函数法归结为2矩阵相乘,计算速度快,达到实时重构要求; Green函数法对阶数不高的Zernike多项式重构效果较好;影响重构误差的主要因素是光强梯度的边界噪声。     

自适应光学曲率波前传感器的衍射理论及其方案分析

曲率波前传感器是自适应光学中的一种很有前途的新型波前传感器。在对衍射理论和几何光学进行近似的基础上,研究了曲率波前传感器的理论分析方法,分析了曲率波前传感器的光学方案和信号获取方法。结果表明,从曲率传感器输出的信号经放大后可直接作为力或弯曲力矩施加到反射镜上,而不需要任何复杂的计算。变形镜可自动地向满足泊松方程的表面形状会聚。利用曲率传感器与双压电晶片反射镜的结合,有望获得一种低价、快速闭环控制的系统。     

基于Shark-Hartmann理论的波前探测技术研究

精确的波前探测是反射镜面型检测及光束波前畸变测量的重要依据,论文根据Shark-Hartmann理论对波前探测技术进行了模拟和实验研究。将平行光经过球面透镜/柱面透镜后形成的球面波/柱面波作为探测波前。实验采用商用的微透镜阵列和CCD搭建Shark-Hartmann传感器,利用实际光束作为参考光,避免了参考光的不准直性对实验的影响。模拟计算结果表明平均曲率误差为13.423 mm,实验结果实现了对球面/柱面/倾斜波的探测及复原。     

有偏压光折变晶体中的高斯孤子

利用变分方法求解了小光强光折变非线性薛定谔方程，得到了高斯光束在外加正偏压光折变晶体中的演化特性，以及高斯光束宽度压缩与展宽的动态振荡规律，给出了高斯光束的宽度、振幅和波前曲率的表达式，研究了势函数与光束宽度的关系.结果表明，小光强高斯光束在正偏压光折变晶体中传播时，其宽度和振幅将经历周期地变化或者展宽发散，在一定条件下高斯光束在晶体中可以形状不变地传播，形成“高斯孤子”，这些特性在工程实践中具有很高的实用价值. 关键词： 高斯孤子 高斯光束 变分方法 光折变非线性方程     

基于电子倍增电荷耦合器件的哈特曼-夏克波前传感器质心探测误差分析

哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,H-S)波前传感器的探测误差是自适应光学系统中的一个主要误差源.本文分析了电子倍增电荷耦合器件(electron multiplying charge-coupled devices,EMCCD)的各种噪声源对H-S波前传感器质心探测误差的影响,推导了基于EMCCD的H-S波前传感器的质心探测误差的数学表达式,并进行了数值仿真和实验研究.结果表明,基于EMCCD的H-S波前传感器的质心探测误差与增益直接相关,在增益小于P_max/(Q·N_mean)时质心探测误差随着增益的增大而减小,在增益大于P_max/(Q·N_mean)时质心探测误差随着增益的增大而增大,其中P_max是EMCCD的峰值电荷,Q是量子效率,N_mean是平均入射光强. 关键词： 自适应光学 电子倍增电荷耦合器件 波前传感器 质心探测误差     

高平均功率电光开关晶体热畸变分析

 深入分析了方板构型的电光开关晶体在高功率载荷条件下的热畸变行为，讨论了光强分布对热效应的影响。以KDP晶体为例，分别计算了激光束光强为高斯分布和均匀分布时晶体的温升、相应的热应力分布、波前畸变以及热退偏。结果表明，光强的分布形式对波前畸变和热退偏的影响是不同的。相对于光强均匀分布的激光束，高斯光束减缓了光斑边沿处的温度梯度，产生的热应力较小，因此可以减弱热退偏效应；另一方面，在光束口径范围内，高斯光束产生了附加的温度分布非均匀性，因而波前畸变会大一些。     

太阳米粒结构相关哈特曼-夏克波前传感模拟研究

基于互相关因子和绝对差分算法以及相关哈特曼－夏克波前传感器的基本原理，根据室内模拟太阳米料结构研究了低对比度扩展目标情况下应用相关哈特曼－夏克波前传感器探测波前误差的可行性，结果表明，相关哈特曼－夏克波前传感器能够有效探测光学波前误差。     

温度对潜望式激光通信终端SiC反射镜性能影响

分析了温度梯度和均匀温度对潜望式激光通信终端反射镜形变的影响,利用椭圆域上的Zerni-ke多项式对椭圆反射镜的波前进行拟合,计算由于热形变导致的波前畸变误差,给出了星间激光通信终端反射镜均方根值、发射光束瞄准误差、接收端光强随温度梯度和均匀温度的变化关系。结果表明:温度梯度对反射镜的影响只是引起峰值光强的漂移和少许下降,当温度梯度为14℃/m时瞄准误差达2.1μrad。均匀温度会引起接收端的光强分布变化,从而导致很大的瞄准误差和光强衰减,当均匀温度与参考温度的差值小于0.6℃时,由波前畸变误差引起的瞄准误差小于1μrad,当差值大于0.6℃时,瞄准误差突然增大到几μrad,接收端光强分布发生变化,此时反射镜热形变引起的像散项对光强分布起重要作用。     

哈特曼夏克传感器的泽尼克模式波前复原误差

利用哈特曼－夏克传感器测量圆孔径内波像差时，通常使用泽尼模式复原算法。推导了一般情况下哈特曼－夏克传感器泽尼克模式波前复原误差的计算公式。用哈特曼－夏克传感器测量一个像差板的随机静态像差，通过与ZYGO干涉仪的测量结果比较，得到不同泽尼克模式复原阶数下的波前复原误差的实验结果，并与理论计算结果进行了对比。     

Eigenfunctions of Laplacian for phase estimation from wavefront gradient or curvature sensing

Modal cross coupling usually exists in wavefront estimation through Zernike polynomials. In order to cope with the problem, the eigenfunctions of Laplacian with Neumann boundary condition are proposed instead of Zernike polynomials to reconstruct phase from wavefront gradient or curvature sensing. It is proved theoretically that these modals can avoid modal cross coupling in both wavefront gradient sensing and curvature sensing. In wavefront gradient sensing, the coefficients of eigenfunctions of Laplacian can be obtained from the integral of the scalar product between the gradient of Laplacian's eigenfunctions and wavefront gradient signal. In wavefront curvature sensing, the coefficients of eigenfunctions of Laplacian can be calculated from the integral of the product of Laplacian's eigenfunctions and wavefront curvature signal. This approach is applicable on arbitrary apertures as long as eigenfunctions of Laplacian on apertures of arbitrary shape can be obtained.     

Hartmann-Shack波前传感器两种子孔径布局探测性能比较

 通过自适应光学中的Zernike模式波前重构算法进行计算机仿真计算,对Hartmann-Shack 波前传感器中针对环形波前设计的两种微阵列透镜子孔径布局的探测性能进行了比较。还就两种子孔径布局的排布方式、完全探测信息能力以及容纳光强起伏能力进行了比较。结果表明,环形布局在探测性能上与方形布局相近,在完全探测信息、容纳光强起伏等方面明显优于方形布局,是一种适用于环形波前探测的子孔径布局方式。     

棱镜自重变形对波面影响的研究

采用有限元方法分析了单棱镜在重力作用下三个典型位置的表面变形，对棱镜表面Φ425mm通光孔径轴向变形量进行Zernike多项式拟合，画出了相应的波差图，并确定设计方案.进一步选择Φ360 mm口径光束对双棱镜在几种典型相对位置下进行光线采样、追迹，计算得到不同情况下由于双棱镜自重变形引起的总波差.     

自适应光学系统的模式法数值模拟

建立了利用模式法笃自适应光学系统进行数值模拟的理论模型，编制了计算程序，并与激光大气传输计算程序衔接起来，进行了大量数值模拟计算。首次发现：存在泽尼特多项式展开的最佳项数。大于一定项数的展开式的效果迅速变坏，竖排和斜排经特面式展开有类似的结果。文献中认为可以采用的１５项经特多项式展开的效果不好，最佳项数随着横向风速的增加而减小，在风速较大时最佳项数下的模范地结果稍好于直接斜率控制法的结果。     

利用泽尼克系数求取衍射光栅的分辨本领

光栅分辨本领检测设备的焦距通常达几米甚至十几米,采用直接测量法难度大、成本高,利用衍射波前间接求取光栅分辨本领是解决该问题的有效途径之一。在光栅光谱成像傅里叶变换理论基础上,建立了利用泽尼克多项式拟合系数求解衍射光栅分辨本领的归一化模型,揭示了光栅衍射波前与分辨本领的求取关系,提出了依据泽尼克多项式拟合系数求取衍射光栅分辨本领的新方法。根据该方法实测了一块衍射光栅的分辨本领,并与直接测量法进行对比测试。结果表明该方法误差小于4.42%,降低了分辨本领的测试难度,是衍射光栅分辨本领求取的有效手段,应用于ZYGO干涉仪等仪器中,通过简单的波前测试即可得到定量的衍射光栅分辨本领指标。     

由重构矩阵存储精度引起的波前重构误差的研究

 采用Southwell区域法波前重构模型对泽尼克多项式的前几项进行了波前重构的数值模拟, 研究了由重构矩阵存储精度原因而引起的波前重构误差。结果表明,对于前六项,以8Bit的数据精度来存储重构矩阵就能保证波前重构误差不超过1.0%,而对于具有更高阶的泽尼克多项式,比8Bit更高的数据精度不会使误差减小。对一个测量所得的波前进行了研究,所得结果和上述结论相符合。